CC BY
48
УДК 628.518:539.6
Ф.И. Касимова, В.К. Стефаненко К ВОПРОСУ ОБ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ ПРИ ВОДОПОДГОТОВКЕ
Обсуждаются проблемы энергосбережения в технологии водоподготовки, предлагается стерилизация воды ультрафиолетовым облучением.
Вода; ультрафиолетовые лучи; стерилизация; энергосбережение.
F.I. Kasimov, V.K. Stefanenko ON THE ENERGY CONSUMPTION IN WATER TREATMENT
We discuss the problem of energy saving in water treatment technologies, proposed sterilization of water by ultraviolet irradiation.
Water; ultraviolet rays; sterilization; energy saving.
Диапазон электромагнитных излучений условно можно разделить на излучения с длинами волн Х>1,0 мм - радиоволны, 1 мкм <Х< мм - инфракрасные излучения (ИКИ), 1 нм <Х<1 мкм - ультрафиолетовые излучения (УФИ), а излучения с Х<1 нм - рентгеновские и гамма излучения.
Излучения с Х>1,0 мм на живые организмы существенно заметного влияния , , -вают в основном поверхностное воздействие на клеточном уровне, а излучения с Х<1,0 нм воздействуют на клеточном уровне, проникая на значительную глубину тел. [1].
<1 , , обладают высокой эффективностью, их применение в биотехнологии связано со , , ( -зации) воды, и опасно. [2].
При действии УФИ на живые организмы энергия поглощается верхними слоями тканей растений или кожи человека и животных. В основе биологического действия излучений указанного диапазона лежат химические изменения молекул .
ими квантов излучения, так и (в меньшей степени) образующимися при облучении радикалами воды и др. низкомолекулярных соединений.
На человека и животных малые дозы УФИ с 200<Х<300 нм оказывают благо- D ,
иммунобиологические свойства организма. Так, облучения с Х=296,7 нм и Х=253,7
( ).
вызывать повреждения глаз (фотоофтальмию) и ожог кожи. Частые и чрезмерные дозы УФИ оказывают канцерогенное действие на кожу. [3].
В растениях УФИ изменяют активность ферментов и гормонов, влияют на синтез пигментов, интенсивность фотосинтеза и фотопериодических реакций. Небольшие дозы УФИ полезны для прорастания семян, развития проростков и нормальной жизнедеятельности высших растений. Большие дозы УФИ неблагоприятны для растений [4].
На микроорганизмы и культивируемые клетки высших животных и растений УФИ оказывают губительное и мутантное действие (максимум эффективности УФИ с Х=240^280 нм). Обычно спектр летального и мутагенного действия УФИ
примерно совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот - ДНК и РНК (рис. 1), в некоторых случаях спектр биологического действия близок к спектру поглощения белков (см. рис. 2).
Рис. 1. Спектры: О - действия излучений на пыльцевые зерна амброзии и Д - поглощения нуклеиновых кислот
Рис. 2. Спектры: П - иммобилизации парамеций и Д - поглощения альбумина
Основная роль в действии УФИ на клетки принадлежит, по-видимому, химическим изменениям ДНК: входящие в её состав пиримидиновые основания ( . ) , препятствуют нормальному удвоению фетикации) ДНК при подготовке к деле.
( ). -
ки имеет также повреждение биологических мембран и нарушение синтеза различных компонентов мембран и клеточной оболочки. Большинство еще живых клеток от повреждений УФИ сохраняют способность к репарации, но такая способность обратно пропорциональна дозе облучения [3].
Рис. 3. Зависимость выживаемости бактерий от дозы излучения: Д - кишечная палочка и Ц О - её мутанты, 1=255 нм
По чувствительности к УФИ биологические объекты сильно различаются, так доза УФИ, вызывающая гибель 90 % клеток, для разных штаммов кишечной палочки (см. рис. 3), а для бактерий М1сгососсиБ гаШо^аш (см. рис. 4).
Рис. 4. Зависимость выживаемости бактерий М1сгососсш гаёюёигат от дозы
излучения, 1=265 нм
Чувствительность клеток к УФИ в значительной степени зависит и от их физиологического состояния и условий культивирования до и после облучения (температура, состав питательной среды и др.). Значительно влияют на чувствительность клеток к УФИ мутации некоторых генов. Так у бактерий и дрожжей извест-20 , . случаев такие гены ответственны за восстановление клеток от лучевых повреждений. Мутации других генов нарушают синтез и строение клеточных мембран, тем самым повышая радиационную чувствительность негенетических компонентов .
Мутации, повышающие чувствительность клеток к УФИ, известны и у высших организмов, в том числе у человека, так наследственное заболевании - пиг-
ментная ксеродерма обусловлено мутациями генов, контролирующих темновую .
Генетические последствия облучения УФИ пыльцы высших растений, а также микроорганизмов выражаются в повышении частот мутирования генов, хромосом и плазмид. Частота мутирования отдельных генов, при действии высоких доз может повышаться в тысячи раз по сравнению с естественным уровнем. В отличие от генетического действия ионизирующих излучений, мутации генов под влиянием УФИ возникают относительно чаще, чем мутации хромосом.
Благодаря сильному летальному и мутагенному эффекту УФИ на микроорганизмы обеспечивается стерилизация поверхности веществ, в том числе воды для . -цидных, ртутно-кварцевых, эритемно-увиолевых источников УФИ, но эти источники, при значительной мощности, обладают рядом недостатков: питание от источника тока в несколько сот вольт, что влечет повышенную электроопасность, низкий к.п.д., что объяснимо широким спектром их излучении, при этом значительная часть энергии расходуется на тепловые потери [2].
Альтернативным вариантом выше перечисленным источникам УФИ являются светодиоды с узкими спектрами УФИ. Электронный стерилизатор воды с полупроводниковым источником УФИ (рис. 5 и рис. 6), содержит корпус (К), выполненный из прозрачного в диапазоне УФИ с 200<Х<300 нм материала (кварцевого стекла или пластика) в виде полого объема с переменным сечением, для вихревого потока воды, и дросселем (Др) на выходе, генератор электрических колебаний (ГК), источники УФИ (ИУФИ) - светодиод (ы) с 200<Х<300 нм и ультразвукового излучения (ИУЗИ) - пьезоэлемент (ы) и датчик (Д) давления жидкости во внутреннем объеме стерилизатора [5].
. 5. ,
В этом стерилизаторе, при пропускании воды через его объем, срабатывает Д, подключая ИУФИ, а через ГИ и ИУЗИ к источнику питания, вода подвергается облучению УФИ и УЗИ, перемешиванию переменным сечением К и УЗИ. В процессе облучения воды УФИ, бактерицидные свойства которого стимулируют клеточный обмен и особенно активно воздействуют на ферментные системы бактериальной клетки, уничтожаются микроорганизмы. УФИ уничтожают не
, -
тических свойств воды. Кроме того, под действием УФИ молекулы растворенного в воде кислорода разлагаются на атомарный кислород, разрушающий ферментные системы микробных клеток и окисляющий некоторые соединения, при-
( , ). -тельное воздействие УЗИ на воду и микроорганизмы в ней ведет к интенсификации распада молекул кислорода на атомарный кислород, а, главное, к - перемешиванию внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и др. жизненно важных соединениях, к повышению проницаемости биологических мембран, в результате чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии, и к развитию окислительно.
Р Р
. д
Рис. 6. Стерилизатор воды, схема электрическая функциональная
В результате совместного воздействия УЗИ и УФИ, при минимизации материальных и энергетических затрат, прекращается жизнедеятельность микроорга-, , , применения по назначению. В силу незначительного напряжения питания (и=5^10 ) ,
,
излучений опасность поражения человека радиационным излучениями минимизи-
,
воды в быту - на кухне, на природе, в походе.
Целесообразность применения светодиодов с УФИ, из энергетических сооб-, -солютно черного тела, ртутно-кварцевой лампы и УФ диода по рис. 7. В частности, на область УФИ, с длинами волн 350-450 мкм, что оптимально для угнетения микроорганизмов, в излучениях абсолютно черного тела приходится =(Н2) % энергии излучении, в излучениях ртутно-кварцевых и увиолевых ламп - =(3^5) %, а в излучениях УФ диода - =(80^90) %.
Электронный стерилизатор воды, по рис. 5 и 6, - альтернативный вариант химической стерилизации воды, например хлорной известью, но в силу безвредности для организма человека последствий УФ и УЗ облучения воды, более приемлем, т.к. не насыщает её химическими веществами, не ухудшает ни запаха, ни вку-.
W, отн
1,00
I
0,1
1,0
I I л
10,0 100,0 К МКМ
Рис. 7. Распределение мощности по спектру’ излучений абсолютно черного тела, ртутно-кварцевой лампы и светодиода У ФИ
Результаты эксперимента со стерилизатором воды на базе светодиодов с УФИ: технические - напряжение питания U=5^10 В; коэффициент полезного действия >95 %; электробезопасность =100 %; автономность и возможность применения в походных условиях (с питанием от аккумуляторной батареи транспортного средства) =100 %; а биологические - летальный исход 90 % микроорганизмов при дозах 8^12 103 эрг/ммъ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Арбузова НА., Рябченко В. А., Гольдин В А., Мендельсон Э.Л. К оценке эффективности обеззараживания сточных вод радиационным методом // Гигиена и санитария, 1976. - № 5. - С. 103-105.
2. . ., . . -
ствия. - М.: Энергоатом издат, 1983. - 108 с.
3. 3. . ., . . . - .,
1985. -184 с.
4. Кон оное В.М., Носовец А.Ф. Теория микронизации зерновых воздействием СВЧ энергии // Вопросы специальной радиоэлектроники. Т. 1. - Таганрог: ТНИИС, 2003. - С. 46-50.
5. . ., . ., . ., . . -
лизации питьевой воды // Патент RU 2229444, C02F 1/32, C02F 103:02, бюл. № 15, 27.05.2004.
6. Скубтин М.Д., Кулиева ГА., Hartevelt A. Ауыз су тутынуды есептеуге арналйн курылйл // Патент KZ 13186 A, G01F 3/00, G01F 17/00, 157:00, бюл. № 6, 2003.
7. . ., . ., . . -
требления // Патент RU 2218558 C2, G01F 3/00, G06F 17/00, бюл. № 34, 2003.
8. . ., . ., . ., . . стерилизациялау& арнал&н курылйл //Патент KZ 14908 A, C01F 1/32, A23L 3/28, бюл. № 10, 2004.
9. Скуб шин М.Д., Стефаненко В.В., Стефаненко В.К. Пр истрш для д1ференцшного облшу витрати питно! води // Патент UA 64393 A, F22D 5/00, бюл. № 2, 2004.
10. Скубилин М.Д., Чередниченко ДМ., Стефаненко В.К, Письменов AM., Касьяненко АА. Стерилизатор воды // Патэнт BY 2720 U, A23L 3/28, 2006.
Стефаненко Виталий Кузьмич
Национальный транспортный университет.
E-mail: [email protected].
01010, Украина, г. Киев, Суворова 1.
Тел.:+380444529784.
Stefanenko Vitaly Kuzmitch
National Transport University.
E-mail: [email protected].
1, Suvorova streete, Kiev, 01010, UA.
Phone: +380444529784.
Касимова Фаина Ибрагим
Национальная Академия Авиации Азербайджана. E-mail: [email protected] 370010, Азербайджан, г. Баку, пр. Азадлыг, 20. Тел: 0505840901.
Kasimova Faina Ibragim kizi
National Academy of Aviation Azerbaijan.
E-mail: [email protected].
20, Azadlik, Baku, 370010, Azarbejan.
Phone: 0505840901.
В.А. Костюков, И.О. Феклистов
ЧИСЛЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕЛИ САМОЛЕТА ЯК-54
Приводятся результаты численного исследования аэродинамики мини-самолета Як-54. Обосновывается необходимость точного расчета аэродинамических коэффициентов для построения адекватной математической модели этого самолета.
Математическая модель динамики твердого тела; аэродинамические коэффициен-; .
V.A. Kostykov, I.O. Feklistov NUMERICAL DETERMINATION OF AERODYNAMIC CHARACTERISTICS
The results of numerical study of aerodynamics mini Yak-54. Substantiates the need for accurate calculation of the aerodynamic coefficients for the construction of adequate mathematical model of this aircraft.
Mathematical model of rigid body dynamics; aerodynamic coefficients; control a moving object.
1. Математическая модель мини-самолета Як-54 как объекта управления. Управление беспилотными летательными аппаратами требует, как показано в работе [1], точного определения аэродинамических характеристик объекта управ.
Як-54 представляет значительный интерес.
Основой для изучения динамических свойств самолета служит его математи-. -следующими дифференциальными уравнениями в матричном виде [1]:
УДК 71-57
(1)
